Quarzo sintetico per cristalli di quarzo oscillanti

I primi utilizzi del quarzo naturale

• Fino alla metà del XX secolo si utilizzava prevalentemente quarzo naturale, proveniente ad esempio da giacimenti in Brasile, Madagascar o Stati Uniti.
• La richiesta di quarzo di elevata purezza, con pochi difetti e con orientamento specifico per i cristalli di quarzo oscillanti è aumentata in modo massiccio, soprattutto durante la Seconda Guerra Mondiale (radar, tecnologia radio).
• Tuttavia, il quarzo naturale presentava spesso inclusioni, difetti reticolari o gemellature, che portavano a frequenze instabili.

Sviluppo di cristalli di quarzo sintetici

• Negli anni '40 è iniziata la sintesi del quarzo nei cosiddetti impianti idrotermali, un processo che imita le condizioni di crescita naturali.
• A partire dagli anni '50, la sintesi idrotermale è stata introdotta su scala industriale.
• In seguito, il processo è stato ottimizzato per produrre blocchi di quarzodi elevata purezza e privi di difetti, principalmente per la tecnologia dei semiconduttori e delle frequenze.

Materia prima di base

• Il materiale di base è il biossido di silicio (SiO₂) di elevata purezza, ad esempio sotto forma di quarzo naturale, silice amorfa o silice purificata da processi chimici.
• Le impurità estremamente basse sono fondamentali per le applicazioni elettroniche (intervallo di ppb, soprattutto per Al, Na, Fe).

Il processo idrotermale

Il principio

• Simulazione delle condizioni geologiche: alta pressione, alta temperatura, soluzione acquosa.
• Simile al processo in autoclave utilizzato per le gemme sintetiche.

Fasi del processo

1. Preparazione dell'autoclave:
   • Un reattore resistente alla pressione (autoclave) viene riempito con un nutrimento minerale (ad esempio quarzo naturale polverizzato) e una soluzione alcalina (solitamente NaOH o Na₂CO₃).
2. Gradiente di temperatura:
   • Nella parte inferiore: temperatura più alta (circa 350-400 °C) → dove il SiO₂ si dissolve.
   • Nella parte superiore: temperatura più bassa (circa 250-300 °C) → il SiO₂ si cristallizza.
3. Inserto di germinazione:
   • Nella parte superiore dell'autoclave vengono inseriti cristalli di quarzo con orientamento definito, sui quali cresce il biossido di silicio disciolto.
4. Crescita dei cristalli:
   • Durata: da alcune settimane a mesi.
   • Risultato: quarzo sintetico monocristallino con elevata perfezione strutturale.

Vantaggi del quarzo sintetico:

• Elevata purezza (poche impurità ppm/ppb).
• Orientamento controllato del cristallo (ad esempio, taglio AT o BT per il quarzo oscillante).
• Assenza di gemme o inclusioni come nel caso del quarzo naturale.
• Riproducibilità delle proprietà fisiche.

Pulizia

• In alcuni casi, il materiale di partenza viene purificato nuovamente mediante pulizia chimica o processi di fusione a zone prima della crescita.

Utilizzo

• Oscillatori al quarzo / cristalli di quarzo: oscillatori stabili in frequenza per tutte le applicazioni in elettronica.
• Industria dei semiconduttori: vetro di quarzo sintetico (ad esempio, per i tubi dei reattori).

• Ottica: lenti e prismi in quarzo cristallino.

Controlliamo al 100% ogni lingotto di quarzo durante il processo di entrata delle merci. La purezza e gli assi cristallografici corrispondenti vengono controllati otticamente (processo a raggi X). Al lingotto di quarzo viene poi assegnato un numero prefissato, in modo da poterlo integrare nella tracciabilità dei lotti dei risonatori di quarzo. Ciò significa che la disponibilità dei nostri lotti di produzione può essere ricondotta all'ispezione in entrata del blocco grezzo di quarzo. Il tutto in linea con il nostro sofisticato processo di produzione di generatori di orologi di altissima qualità, prestazioni e durata.